2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of extremely energy-efficient integrated circuit technology beyond the thermodynamic limit based on reversible quantum flux circuits
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19H05614
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
吉川 信行 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70202398)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹内 尚輝 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472)
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10377864)
牧瀬 圭正 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60363321)
山梨 裕希 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70467059)
アヤラ クリストファー 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (90772195)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 先端機能デバイス / 超伝導材料・素子 / 超高速情報処理 / デバイス設計・製造プロセス / 低消費電力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、双方向演算が可能な論理回路である可逆断熱的量子磁束パラメトロン(AQFP)を用いて熱力学的極限を超える究極の低消費エネルギー集積回路を実現する。可逆AQFPの理論的・実験的研究を通して可逆演算回路の学理明らかにすると共に、可逆AQFPを用いた超省エネ集積回路を実現するための基盤技術を確立する。
可逆AQFPの学理の解明においては、有限温度において可逆AQFPの消費エネルギーを評価するための方法について検討を行い、複雑な可逆AQFP回路の消費エネルギーを評価するための数値計算法を定式化した。可逆AQFPの設計基盤技術の確立においては、可逆AQFPの基本ゲートの最適化と構造設計を行い、基本セルライブラリを完成させた。以上に基づき１ビット可逆全加算器を設計・試作し、１ビット可逆全加算器の低速での論理動作を確認した。新規可逆量子磁束回路の創生においては、多数のAQFPアレイの一斉励起による高い論理機能を持つ可逆論理ゲートを設計するためのモデルを提案した。プロセッサアーキテクチャの研究においては、可逆AQFPを用いた単一命令マイクロプロセッサの基本設計を行った。
AQFP上に置いた磁性体薄膜パターンにより実現する位相シフト可逆AQFPにおいては、大規模な回路の作製評価に向けて測定環境の構築と作製プロセスの見直しを行い、成膜方法の合金ターゲットによるスパッタ法への変更と成膜条件の最適化を行った。
３次元超伝導回路の高密度集積化においては、1段の積層AQFP構造をNb6層、ダブルAQFP構造をNb11層で構成できる見通しを得た。また、設計された各種AQFP回路のNb9層およびNb4層プロセスを用いた試作を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
可逆AQFPの学理の解明においては、有限温度において複雑な可逆AQFP回路の消費エネルギーを評価するための数値計算法を定式化したことは、今後の可逆計算器のエネルギー評価を行う上で重要な成果である。可逆AQFPの設計基盤技術の確立においては、本年度開発した可逆AQFPの基本セルライブラリを用いて１ビット可逆全加算器を設計し、その消費エネルギーの周波数特性を数値計算により評価することができた。その結果、可逆全加算器の消費エネルギーは動作周波数の低下に対して下限値が無く、ランダウア限界以下の消費エネルギーで演算が行えることを示すことができた。また、実際に回路を試作し、１ビット可逆全加算器の低速での論理動作を確認したことは可逆演算回路における初の動作実証である。新規可逆量子磁束回路の創生において、多数のAQFPアレイの一斉励起による高い論理機能を持つ可逆論理ゲート提案し、その演算エネルギーや演算性能を評価したことは、新たな可逆計算への可能性を示すものである。プロセッサアーキテクチャの研究においては、可逆AQFPを用いた単一命令マイクロプロセッサの基本設計を行い、数値シミュレーションによる動作確認を行った。これにより可逆計算器実現への見通しを立てることができた。
磁性体薄膜を用いた位相シフト可逆AQFPにおいては、大規模な回路の作製評価に向けて測定環境の構築と作製プロセスの見直しを行った。チップ内に複数の磁性体パターンを再現性、制御性よく作り込むため、成膜プロセスを合金ターゲットによるスパッタ法に変更し、成膜条件の最適化を行った。これにより安定な磁性対薄膜を作製するための準備を完了した。
３次元超伝導回路の高密度集積化においては、1段の積層AQFP構造をNb6層で構成できる見通しを得た。これによりAQFP本体と磁気結合部を上下に重ねた積層AQFP構造の作製が可能となった
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| Strategy for Future Research Activity |
可逆AQFPの学理の解明においては、フリップフロップについて演算エネルギーの下限値を数値シミュレーションにより調べ、情報の読出しや書き換えにおけるエントロピーの変化と消費エネルギーの関係を明らかにする。可逆AQFPの設計基盤技術の確立においては、可逆AQFPの大規模集積回路を実現するために必要な、設計方法論、セルライブラリ、CADツールなどの設計基盤技術を確立する。本年度は、フリップフロップなどのメモリ素子の最適化と構造設計を行い、可逆回路のセルライブラリを完成させる。新規可逆量子磁束回路の創生においては、提案したAQFPアレイモデルにおいて、有限温度における入力データに対する出力データの確率分布の関係を調べる。プロセッサアーキテクチャの研究においては、可逆プロセッサの動作実証を目的として、単一命令アーキテクチャに基づく可逆プロセッサを設計・試作し、その動作実証を目指す。
位相シフト可逆AQFP ゲートの研究においては、強磁性体薄膜の再現性を上げるため、合金ターゲットによる成膜に変更した。今後は、これにより可逆AQFPに磁性薄膜を導入した位相シフト素子の試作・評価を進め、静的バイアスを削減した可逆AQFP、再構成可能可逆AQFPの原理実証を目指す。
３次元超伝導回路の高密度集積化においては、シングルゲートプロセスをダブルゲートプロセスに拡張するための最適化プロセスの開発を行い、11層ダブルゲートプロセスの回路試作を行う。
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